重覆冰区特高压输电线路路径选择

李 京，刘文勋，李铁鼎

(中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

重覆冰区特高压输电线路路径选择

李 京，刘文勋，李铁鼎

(中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

特高压输电线路所经过的路径海拔高度、走向以及区域内的微地形微气象等条件，会对导地线覆冰情况产生严重影响。通过计算分析在重覆冰工况下，特高压输电线路的大高差、大档距、大小档以及耐张段长度对不平衡张力的影响，并分析了污秽对覆冰绝缘子串电气性能和杆塔塔头尺寸的影响。计算表明，重覆冰对特高压输电线路安全性和经济性的影响较高压、超高压线路更大。最后对特高压输电线路路径的选择提出了相应的具体措施。

特高压输电线路路径选择；重覆冰；微地形微气象；不平衡张力；绝缘子串污闪。

2008年我国南方大规模的冰灾给电网造成了巨大的损失，重覆冰对架空输电线路，尤其是特高压输电线路的安全性带来的挑战不容忽视。特别是随着我国“西电东送”等重大战略的实施，特高压线路越来越多，重覆冰所引起的问题越来越受人关注。

目前，《±800kV直流架空输电线路设计规范》(GB50790—2013)、《1000kV架空输电线路设计规范》(GB50665－2011)等特高压输电线路设计国家标准已颁布，但上述标准中关于重覆冰区段特高压线路设计的内容还不够完整和细致。目前已建、在建特高压输电线路重覆冰区设计均参照适用于超高压线路的《重覆冰架空输电线路设计技术规程》(DL/T 5440—2009)执行，而由于特高压线路具有电压等级高、输送容量大、导线分裂数多、杆塔荷载大等特点，与超高压输电线路设计又不尽相同。其在内容深度和技术层面上均难以指导特高压重覆冰线路的设计。

本论文从路径选择方面对重覆冰区特高压交、直流输电线路设计技术进行总结研究，为重覆冰特高压输电线路的设计提供合理意见。

1 地形对覆冰的影响

输电线路的覆冰情况与微地形微气象的分布有很大的关系。在一些区域内的局部地段，由于地形、位置、坡向及温度、湿度等出现特殊变化，有利于局部区域形成更为严重的覆冰。微地形微气象大致可以划分为以下类型：垭口型、高山分水岭型、水汽增大型、地形抬升型、峡谷风道型、高出于地区凝冻高度的地段以及在封闭低洼的盆形地区，可能形成局部沉积型覆冰的小气候区。

通过比较部分观冰站积冰厚度与海拔高度的关系，可以看出条件相同的地区，一般海拔高程越愈高，愈易覆冰，覆冰也愈厚。

导线覆冰与线路走向也有关。冬季覆冰天气大多为北风或西北风，所以东西走向的导线覆冰普遍较南北走向的导线覆冰严重，而且容易产生不均匀覆冰，易诱发振动或舞动，从而增加杆塔负荷。因此，在严重覆冰地段选择线路走廊时，应尽量避免导线呈东西走向。

2 大高差、大档距、大小档的影响

特高压线路电压等级高、输送容量大、导线分裂数多，杆塔荷载大，其重覆冰区域不均匀覆冰、断线导致的杆塔两侧不平衡张力较高压、超高压线路更为严重。

2.1 大高差、大档距的影响

30 mm、40 mm冰区不同档距、高差情况下的不平衡张力计算结果见表1、表2。

从表1可以看出，当高差为90 m时，档距从500～1000 m变化，随着档距的增大，导线覆冰不平衡张力逐渐增大，1000 m大档距的不平衡张力是500 m档距时的2倍；当档距为900 m时，高差从50～100 m变化，随着高差的递增，不平衡张力从26.69%增加至29.31%，较档距变化增幅较小。另外，30 mm重冰区档距超过900 m，高差超过90 m时，杆塔覆冰不平衡张力超过29%，需要适当加强杆塔提高抗冰能力。

表1 30 mm重冰区覆冰不平衡张力计算结果

表2 40 mm重冰区覆冰不平衡张力计算结果

从表2可以看出，当高差为50 m时，档距从500～800 m变化，不平衡张力从25.9%增加到38.22%，增幅较大；当档距为600 m时，随着高差的变化，不平衡张力增幅相对较小。另外，档距超过600 m，高差超过60 m时，杆塔覆冰不平衡张力超过33%，需要适当加强杆塔提高抗冰能力。

以上不平衡张力计算结果表明：档距高差对杆塔的不平衡张力影响很大。重覆冰特高压输电线路应该尽可能避免大档距，大高差的出现。

2.2 耐张段长度及大小档的影响

取特高压输电线路所经重冰区的高差为90 m，覆冰厚度为30 mm,1500 m、2000 m、3000 m和4000 m不同耐张段长度、不同档距分布(800 m/200 m大小档和500 m平均档距)情况下的不平衡张力计算结果见表3。

表3 30 mm重冰区覆冰不平衡张力计算结果

计算结果表明：耐张段长度及大小档分布对杆塔不平衡张力影响很大。耐张段长度大于1500 m时，相同耐张段长度，500 m平均档距分布时的不平衡张力较800 m/200 m大小档分布时的不平衡张力小很多。

大小档分布情况下，随着耐张段长度的增加，不平衡张力增加，耐张段长度为1500 m时，为22.76%，耐张段长度为4000 m时，不平衡张力达到28.9%；然而，500 m平均档距分布情况下，耐张段长度对不平衡张力的影响相对较小。

因此，在重覆冰特高压线路设计时，因尽可能避免大小档的发生。

2.3 典型断面分析

选取浙北—福州1000kV特高压交流线路工程(浙南—福州段)典型微地形断面(图1)进行杆塔覆冰不平衡张力计算分析如下。

(1)当设计覆冰为20 mm，导线采用8×JL/G1B—500/65，最大使用应力103.7 MPa。以B46塔为界，前侧覆冰取设计覆冰的100%，后侧覆冰取设计覆冰的20%。计算结果见表4，最大不平衡张力为最大使用张力的17.1%，小于重覆冰规程的20%。

图1 典型断面图

表4 典型断面20 mm冰区不平衡张力计算结果

(2)当设计覆冰为30 mm，导线采用8×JLHB2/G3B—500/45， 最 大 使 用 应 力146.5 MPa。以B46塔为界，前侧覆冰取设计覆冰的100%，后侧覆冰取设计覆冰的20%，计算结果见表5，最大不平衡张力为最大使用张力的31.3%，大于重覆冰规程的29%。

以上计算结果表明：大档距，大高差对杆塔两侧的不平衡张力影响很大，为了使杆塔设计更趋向于经济合理、安全可靠。重覆冰特高压输电线路路径选择时，应该尽量避开大档距大高差的地形区域。若因廊道受限必须经过该地形区域，则必须加强杆塔提高抗冰能力。

表5 典型断面30 mm冰区不平衡张力计算结果

3 污秽对重冰区特高压输电线路的影响

3.1 污秽对覆冰绝缘子闪络电压的影响

在重庆大学大型多功能人工气候室，试验研究了25片XWP－210 型绝缘子I 型串在1000 m、2500 m、4000 m三种海拔高度下，盐密 SDD 为 0.06 mg/cm2、0.1 mg/cm2两种污秽条件下，覆冰水电导率 100 s/cm，覆冰厚度 20 mm 时的人工覆冰耐受特性，其试验结果见表6。

表6 25 片 XWP－210 型绝缘子 I 型串人工覆冰耐受特性

绝缘子染污程度对交流覆冰 50%耐受电压U50的影响绝缘子覆冰可看成是一种特殊型式的污秽。与交流污秽绝缘子50%耐受电压受污秽程度的影响规律类似，交流染污覆冰绝缘子50%耐受电压随污秽程度的增加而下降，呈负指数的幂函数关系，50%耐受电压U50与覆冰前染污盐密表面盐密 SDD的关系可表示为：

式中：AS为系数，与绝缘子型式、材料、气压、电压极性、覆冰状态等有关；SDD 为盐密 (mg/cm2)；b为盐密 SDD 影响U50的特征指数，与绝缘子型式、气压、电压极性等多种因素有关。将表6中的试验结果按式(1)进行拟合，拟合曲线见图2，可得其AS、b及拟合相关系数的平方R2见表7。

图2 XWP－210 绝缘子串交流覆冰50%耐受电压U50与预染污盐密SDD的关系

表7 试验结果按式(1)拟合得到的 As、b 值

根据图2和表7可知：

(1)在覆冰厚度 20 mm、覆冰水电导率为100 s/cm条件下，25片的 I 型 XWP－210绝缘子串人工染污覆冰交流 50%耐受电压U50随污秽度的增大而降低。当等值盐密从0.06 mg/cm2增大到0.10 mg/cm2，海拔 1000 m、2500 m、4000 m 下的U50分别降低了13.36%、13.46%、13.21%。

(2)U50与等值盐密值成负指数幂函数关系，当海拔为 1000 m、2500 m、 4000 m时， 受污秽影响的特征指数b分别为0.28、 0.28和0.27，特征指数b与海拔高度有关，随海拔高度的增加，特征指数b逐渐减小，但变化较小，影响不显著。

因此，覆冰绝缘子的闪络电压和覆冰水电导率及覆冰前绝缘子的污染程度有明显关系。清洁的覆冰并不会导致绝缘子的闪络电压的下降。 只有在绝缘子覆冰前已被染污或在覆冰形成过程中覆冰水被污染的情况下，覆冰层的电导率增加导致绝缘子的泄漏电流增加，进而才会出现覆冰绝缘子的耐受电压或者闪络电压的明显下降。特高压输电线路设计时应该尽可能的避开污秽严重的区域，对于污区较重的区域必须加强防污闪措施。

3.2 污秽对塔头尺寸的影响

污秽较重地区线路，除常温条件下会出现污闪事故外，在覆冰季节更会因覆冰绝缘子串绝缘强度下降而出现冰闪事故。而在目前的条件下，防止冰闪的有效措施还限于增加绝缘串长度，即降低工作电压下沿冰面闪络时的电位梯度。这将直接影响塔头尺寸，而且随着电压等级升高而愈益显著。

以溪洛渡左岸—浙江金华±800kV特高压直流输电线路工程为例，由于线路走廊受限，线路在重冰区未能避开中、重污区。绝缘配置计算结果表明，随着污秽的加重，绝缘子片数增加，重覆冰特高压线路通过污秽较严重区域时，悬垂串、耐张串绝缘子配置片数均较轻、中冰区需要增加十至几十片，塔头尺寸因此而明显增大。

因此，重覆冰特高压线路通过污秽较严重区域时，一方面增加了污闪的风险，另一方面，绝缘子串串长较轻污区增长，塔头尺寸也明显增大。无论从线路经济性还是安全性角度考虑，均建议线路避开污秽较重的区域。

4 结论

根据前面分析的微地形微气象、地形、档距高差大小档以及污秽对重覆冰特高压输电线路的影响，结合已建重冰区线路的运行经验，执行重冰区线路“避、抗、融、防、改”五字建设方针，参考超高压线路《重覆冰架空输电线路设计技术规程》(DL/T 5440—2009)，提出下列措施：

(1)避开路径方案选择在保证安全的前提下，应通过技术经济比较确定，并力求避开严重覆冰地段；

(2)严重覆冰区内应做到“避重就轻”，当无法避开重冰区时，路径选择时应结合微地形、微气象、线路走向等特征合理选择路径。线路应避免横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等容易覆冰的地带；沿起伏不大的地形走线，避免大档距、大高差；通过山岭地带，宜沿覆冰时背风坡或山体阳坡走线；

(3)对于相对高耸、山区风道、垭口、抬升气流的迎风坡、较易覆冰等微地形区段，以及相对高差较大、连续上下山等局部地段的线路适当加强杆塔强度。在发生事故修复比较困难的区域杆塔定位应留有裕度，应着重进行全寿命周期成本分析，使得线路成本最优，可靠性满足要求；

(4)对于档距较大的重覆冰地段，两侧档距相差较大处，采取增加杆塔、缩小档距等措施；

(5)缩短耐张段长度，耐张段不宜太长，重冰区不宜超过3 km；

(6)当耐张段较长时，应考虑防串倒措施；

(7)重冰线路转角度数不宜过大，以增加耐张转角杆塔抗过载的能力。

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The Path Selection of Ultra High Voltage Transmission Line in Heavy Icing Area

LI Jing,LIU Wen-xun,LI Tie-ding
(Central Southern China Electric Power Design Institute,Wuhan 430071,China)

The elevation、direction and micro-atmosphere along the path of ultra high voltage transmission line brings much influence to the icing situation on the conductor and earth wire. The influence brought by big altitude difference、big span、big-small span and section length of UHV transmission line on unbalanced tension are analysed under heavy ice condition in this paper. And the impact of contamination on electrical performance of iced insulator string and the size of tower window is discussed. Calculations indicate that comparing with HV/EHV transmission lines,the reliability and economic status of UHV transmission line are more vulnerable subjected to heavy ice. At last,some specificmeasurements are proposed to optimize the path for UHV transmission lines.

ath of ultra high voltage transmission line; heavy ice; micro-atmosphere; unbalanced tension; insulator string pollution flash.

TM75

B

1671-9913(2017)05-0053-05

2016-07-05

李京(1990- )，男，湖北麻城人，硕士，工程师，主要从事高压输电线路电气设计工作。